O echipă de ingineri din SUA a creat un nou tip de material plastic, mai dur ca oţelul, care-şi poate recăpăta forma şi integritatea structurală dacă e rupt sau deformat

Un material care ar fi foarte rigid şi totodată uşor e visul multor ingineri dintr-o mulţime de industrii, de la cea auto până la cea aerospaţială. Tocmai aşa s-a ajuns la aliaje sofisticate folosite în avioane şi rachete, iar fibra de carbon actuală e unul din cele mai renumite materiale, care întruneşte aceste calităţi. Pe de altă parte, un alt vis al inginerilor e să inventeze materiale care se pot „trata” singure, adică îşi pot restabili integritatea structurală după ce o suprafaţă e zgâriată sau crăpată. Asemenea încercări există în domeniul peliculelor plastice şi ale vopselelor. O echipă de ingineri din SUA, însă, a anunţat crearea unui nou tip de material plastic care îmbină aceste două deziderate ale inginerilor, aparent incompatibile, într-un singur compus, care e mai dur ca oţelul, dar îşi poate recăpăta forma şi integritatea dacă e rupt sau deformat.

Foto: Noul material creat de echipa de ingineri din SUA

Descoperirea a fost făcută de o echipă de ingineri condusă de Dr. Mohammad Naraghi, director al laboratorului de materiale nanostructurate şi profesor de inginerie aerospaţială al universităţi Texas A&M, în colaborare cu Dr. Andreas Polycarpou de la Universitatea Tulsa.

O aripă, o capotă, o uşă au chiar un lonjeron creat din acest material poate fi readus la forma iniţială, păstrând calităţile de rigiditate aproape la 100% din materialul de până la deformare. La fel s-ar întâmpla şi cu componente deformate de avion sau orice alt domeniu în care ar fi aplicat aceste material. O piesă deformată şi chiar ruptă sau crăpată, ar putea fi restabilită ca forma şi rigiditatea sa iniţială, fără nevoia de a fi înlocuită, spun autorii noului material.

Iar impactul unui asemenea material ar fi uriaş, spun creatorii săi, făcând reparaţiile multor componente uşoare şi prelungind viaţa componentelor făcute din el pe un termen foarte lung.

Materialul creat de echipa de ingineri conţine fibră de carbon, însă fibrele din el sunt mai scurte şi au rol de ranforsare a structurii de plastic. Vorbim de nişte fibre mici din fibră de carbon amestecate în compusul de bază, nu de obişnuita ţesătură specifică pe care o ştim de la fibra de carbon uzuală.

La baza noului material se află polimerii termosetabili, numiţi „vitrimer” în limbajul de specialitate. Aceşti polimeri au o structură cu legături covalente dinamice, care îşi schimbă poziţiile la acţiunea căldurii, ceea ce le face să-şi poată schimba forma şi să formeze din nou legături în punctele unde au existat rupturi sub acţiunea zgârieturilor sau crăpăturilor.

Acest tip de polimer nu e unul nou, fiind cunoscut şi anterior, doar că e prima dată când a fost aleasă o compoziţie potrivită pentru a-l combina cu microfibre de carbon şi a-i asigura şi rigiditate excepţională nemaivăzută până acum. În căutarea compoziţiei potrivite de polimer, de fapt s-a ajuns la o compoziţie nouă, care nu a fost folosită anterior, pentru că erau nevoie de calităţi termodinamice foarte specifice, care să facă acest material viabil în viaţa reală.

Acest compus nou de plastic are denumirea de „Aromatic Thermosetting Copolyester”, sau ATSP în formă abreviată şi proprietăţile îi sunt date atât de materialele care-l compun cât şi de aranjarea matricială a reţelei de fibre din el.

Aceste proprietăţi inedite l-au făcut să aibă o rezistenţă mai mare ca oţelul aerospaţial, ceea ce îi face pe autorii săi să spune că, teoretic, materialul lor ar putea fi folosit chiar şi în componente critice ale avioanelor, nemaivorbind de automobile. În acelaşi timp, noul material e mai uşor decât aluminiul.

Cum are loc restabilirea formei şi integrităţii structurale? Prin încălzire, pentru că asta e una din proprietăţile de bază a vitrimerilor, doar că aici compoziţia specifică a făcut ca temperatură are trebuie aplicată să nu fie una prea joasă pentru a fi întâlnită în viaţa reală fără voinţă, dar nici prea mare pentru a determina un proces energofag.

Temperatura minimă la care noul material începe „auto tratarea” e de 160 grade Celsius şi are un diapazon sigur de până la 280 grade Celsius. Când noul compus ATSP ajunge la 160 grade, legăturile sale încep a fi mobile şi dinamice şi formează noi legături. Forţele elastice pot face ca forma să revină la cea iniţială, iar crăpăturile şi rupturile se contopesc înapoi într-un material integru. Această mişcare dinamică determină şi repoziţionarea fibrei de carbon din interior, astfel încât şi ea participă în acele locuri „tratate”.

Echipa de ingineri spune că imediat ce temperaturile scad sub 160 grade Celsius, structura compusului devin din nou rigidă şi fixă, iar integritatea structurală a recăpătată integral, aproape de 100% din starea iniţială. Experimentele lor au arătat că noul material poate susţine 5 asemenea cicluri de încălzire şi reparare, rămânând aproape de rigiditatea iniţială, după care începe să se observe oboseala materialului şi structurile nu mai formează legături la fel de strânsă.

Prin urmare, vor fi recomandate maxim 5 reparaţii ale unei singure piese, după care ea va trebui înlocuită. Da partea incredibilă e că astfel vor putea fi reparate piese care erau considerate irepetabile anterior din cauza deformării prea mari sau ruperilor. O capotă deformată n-ar trebuie decât să fie pusă într-un cuptor, pentru a o readuce la forma originală. Iar un longeron crăpat ar fi poziţionat întâi potrivit, după care ar fi pus la temperatura corectă. Desigur, s-ar putea opera şi cu utilaje localizate care să asigure temperatura, ca un soi de ciocan de lipit, sau mai degrabă un fier de călcat pe o suprafaţă mai mare, care să asigure acoperirea unei zone ce trebuie reparată.

Exemplele pieselor de caroserie de pe automobile şi a celor de pe avioane sunt doar câteva aplicaţii unde acesta ar putea fi aplicat. Carena navelor, spre exemplu, ar putea fi alt exemplu, orice crăpătură putând fi reparată mai uşor din interior. Turbinele eoliene pot avea pale din acest material, sau chiar turnul principal. Trenurile ar putea să folosească acest compus, iar maşinile, inclusiv electrice, ar deveni mai uşoare datorită lui. Mai mult ca atât, chiar şi în domeniul apărării un asemenea material poate fi preţios şi util, întrucât ar permite repararea în condiţii de campare, fără soluţii foarte sofisticate. Doar navele aerospaţiale n-ar putea să-l folosească, pentru că la traversarea atmosferei acestea întâmpină temperaturi prea mare pe fuzelajul lor, care ar duce a activarea stării dinamice a legăturilor. Însă pentru structuri interioare, care nu sunt expuse la temperaturi de peste 160 grade, şi NASA sau SpaceX ar putea folosi un asemenea material. Iar ultimul mare beneficiu e că noul material e complet reciclabil, datorită aceloraşi calităţi dinamice la temperaturi mari.